Biomineralizacin de Hierro2005 1 ndice:1 1. Introduccin.2 2. Mecanismos de Control.3 2.1. Mineralizacin Biolgicamente Inducida.3 2.2. Mineralizacin Biolgicamente Controlada.6 2.3. Regiones Directoras de la Biomineralizacin.7 2.4. Mecanismos de Control. 9 2.4.1. Control Qumico. 9 2.4.2. Control Espacial.11 2.4.3. Control Estructural.13 2.4.4 Control Morfolgico.15 2.4.5. Control Construccional.16 3. Breve Introduccin a la Qumica del Hierro.17 4. Biomineralizacin de Sulfatos de hierro.19 4.1. Bacterias Magnticas.19 4.2. Protenas Asociadas.21 4.3. Dientes de Hierro.24 5. Biomineralizacin de Sulfatos de hierro.25 6. Bibliografa.26 Biomineralizacin de Hierro2005 2 1. I ntroduccin: Labiomineralizacinenvuelvelaextraccinytomaselectivadeelementosdel medio ambiente local (Fe, Si, Ca, Cu, etc.) y su incorporacin a estructuras funcionales dentro de los seres vivos, todo ello bajo condiciones de estricto control biolgico. Figura 1. Esteprocesoocupaunaposicinespecialenlacienciadelavidaporque,a diferencia de otras transformaciones biolgicas que apenas dejan huellas en el entorno, la formacin de duros materiales bioinorgnicos tales como huesos y conchas que queda inequvocamente grabada en el registro de fsiles. Ambos, la vida y el entorno, han sido ampliamentemodificadosporelavancedelabiomineralizacin,lacualobtuvoun impulsocompletohaceyaunos500millonesdeaos,cuandolasestructuras esquelticas empezaron a ser habituales entre los seres vivos. Hay evidencias de que los primeros procesos de biomineralizacin comenzaron a hacer su aparicin haceya unos 3500 millones de aos (aunque parece probable que no fueran procesos controlados). La amplia presencia actual de los biominerales y su diversidad desmienten, casi con mayor rotundidaddeloquelohacenlasmtaloprotenasuotrosconstituyentesdelosseres vivos,laimpresindequelavidaestmonopolizadaporlaqumicaorgnica.Sin embargo, pese a que estos biominerales se conocen desde hace muchos aos, el estudio multidisciplinardelabiomineralizacinesuncampodeinvestigacinrelativamente nuevo que trata de comprender los mecanismos de control molecular que permiten a un organismovivosintetizarundeterminadomaterialinorgnico,slidoybiendefinido estructuralmente. Paralosqumicosbioinorgnicos,labiomineralizacinrepresentaunaextensin en la larga escala de interacciones entre los procesos biolgicos y la qumica inorgnica. Mientrasquelaqumicadelabiocoordinacinestenfocadaprincipalmentehacialas interaccionesentrelostomosmetlicosylosligandos,alniveldelaesferade coordinacin,labiomineralizacinenglobalaqumicaentreagrupacionesdetomos inorgnicos(clusters,carascristalinas,etc.)ymltiplesligandosordenadosentornoa superficies orgnicas (protenas insolubles, lpidos de membrana, etc.). El proposito de Biomineralizacin de Hierro2005 3 lasinvestigacionessobrebiomineralizacinenelcontextodelaqumicabioinorgnica incluyen: Lacaracterizacinestructuralycomposicionaldelosdiversos biominerales. Comprender las propiedades funcionales de los biominerales. Elucidarlosprocesosatravsdeloscualeslasmacromolculasy estructurasorgnicascontrolanlasntesis,construcciny organizacin de los materiales basados en minerales inorgnicos. En el caso del hierro, el comportamiento redox de sus estados de oxidacin (+II y +III),sudiferenteafinidadpordistintosligandosysufacilidaddehidrlisisenmedio acuoso, hacen que la bioqumica de este metal sea ricay variada. Los xidos de hierro seusanenlosmediosbiolgicosparadarconsistenciaaalgunostejidosblandos,o comodepsitosdehierro;ylaspropiedadesmagnticasdeciertosmineralesson utilizadas por algunas bacterias para orientarse en el campo geomagntico. Por otra parte, ciertos tipos de bacterias presentes en entornos ricos en ion sulfuro, sintetizanyhacencrecercristalesdelmineralferromagnticogregitita(Fe3S4);enuna determinadaespecieasociadaaestasbacteriassehanencontradotambincristalesde pirita(FeS2).Esteprocesodeformacindesulfurodehierrointracelularenbacterias puedeserunejemplodeloquesucedienpocasprimigeniasdelatierra,cuandola qumica del ion sulfuro dominaba sobre la qumica del ion oxo. 2. Mecanismos de Control de la Biomineralizacin: Aunquesabemosmuchoacercadelasestructurasdelosbiomineralesydecmo varan en los diferentesorganismos, se sabe relativamente poco sobre las interacciones moleculares que controlan la construccin de los mismos. Lagranprecisinquelosorganismosalcanzanalahoradedefinirlas caractersticas del biomineral y de adaptarlas a la funcin que van a desarrollar, sugiere laexistenciademecanismodecontrolaltamenteespecficosencadaunadelasetapas clavedelaformacindemineral:nucleacin,crecimientocristalinoyorganizacin espacialenelsistemabiolgico.Enesteapartadopretendemosdarunavisingeneral sobre los principios que regulan estos mecanismos. 2.1. Mineralizacin I nducida Biolgicamente: En ella los materiales inorgnicos se depositan por precipitacin accidental, la cual surge de interacciones secundarias entre varios procesos metablicos y el entorno local. Un ejemplo de este tipo de biomineralizacin puede ser la calcificacin que se produce enlosespaciosintercelularesdeciertasalgasverdesdebidoaunareduccindela concentracin de dixido de carbono como resultado del proceso de fotosntesis, lo que lleva a un desplazamiento hacia la derecha de la reaccin: Ca2+ + 2HCO3-CaCo3 + CO2 + H2O Biomineralizacin de Hierro2005 4 Demodosimilar,laextrusindeotrosproductosmetablicosatravsdela membrana celular puede dar lugar a la precipitacin biolgicamente inducida de varios mineralesinorgnicosporlasubsiguientereaccinconionesmetlicosextraos(tabla 1). En particular, los flujos de iomes hidroxilo (OH-) estn envueltos en la deposicin de xidos,carbonatosyfosfatos,mientrasqueelH2Syloselectronesinducenala precipitacin de sulfuros y xidos mixtos (Fig. 2). Figura 2. Algunasbacteriasinclusotienenlacapacidaddeacumulareinactivariones metlicostxicostalescomoUO22+,Pb2+,yCd2+(tabla3.1.);estopodrajugarun importanterolenunsupuestomecanismonaturaldelimpiezadeaguasysuelos contaminados. MecanismoMineralEjemplos Biopolmeros solublesMn/FeOOHLeptotris Pedomicrobio Cubiertas de esporasMnOOHBacilos Intercambio de gas/ionesH2SFe/CuSDesulfovibrio CO2CaCO3Calotris pHMgNH4PO4Proteos Membrana de transporteCa10(PO4)6(OH)2Estreptococos Actividad enzimtica(UO2)3(PO4)2Citrobacteria Transferencia de electronesFe3o4GS-15 Uo2GS-15 AuPedomicrobio Protenas nucleantesH2O(hielo)Pseudomonas Protenas de capas superficiales FeOOHLeptotris Tabla 1. Biomineralizacin de Hierro2005 5 Para conseguir unas adecuadas condiciones locales en la formacin del biomineral, los organismos pueden establecer diversas estrategias (Fig. 3). Esto incluye mecanismos directos como: a) paso de iones a travs de la membrana utilizando canales de transporta activo(Ca2+)opordifusin(X-);b)transportefacilitadopor:(i)procesosredox (Fe2+/Fe3+);(ii)formacinoroturadecomplejos(ML),graciasalapresenciadeiones como citrato o difosfato o al contacto con una matriz; (iii) la regulacin enzimtica, que favorececiertosprocesosfrenteaotros.Perotambinsepuedeninducirmecanismos indirectoscomoeltransportedeagua,elcambiodelpHolasmodificacionesenla fuerza inica. Figura 3. Unacaractersticadistintivadelamineralizacinbiolgicamenteinducidaesque losmineralesgeneralmenteseformanalolargodelasuperficiedelaclula,donde permanecenfirmementeancladosalaparedcelular.Aestoseleconocecomo mineralizacinepicelular.Loscomponentesorgnicosdelaparedcelularpueden influenciarenelprocesodemineralizacinactuandocomosuperficiesgeneralesde precipitacin. Es mas, sitios especficos de la pared celular estn, a menudo, envueltos a acusadesulocalizacinparticular,cercanosaregionesdeextrusindemetabolitos,o por tener un contenido especialmente alto de protenas que son activas en el proceso de nucleacin. Unaconsecuenciadelanoexistenciadeunestrictocontrolcelular,esqueel tamao,laforma,laestructura,laorganizacinylacomposicindelaspartculasdel mineralesgeneralmentepobreyheterognea.Porejemplo,laFigura4muestra nanopartculasdeformairregulardemagnetita(Fe3O4),producidasporunabacteria conocida como GS-15. X- Biomineralizacin de Hierro2005 6 Figura 4. 2.2. Mineralizacin Biolgicamente Controlada: Consisteenunprocesoaltamentereguladoqueproducematerialestalescomo huesos,caparazonesydientes,loscualesposeenestructurasyfuncionesbiolgicas especficas.Estosbiomineralessedistinguenporposeerpropiedadesespecficas reproducibles como pueden ser: Tamaos de partcula uniforme. Estructuras y composiciones bien definidas. Altos niveles de organizacin espacial. Morfologa compleja. Agregacin y textura controlada. Orientacin cristalogrfica preferencial. Mayor orden de unin en estructuras jerarquizadas. Este tipo de mineralizacin es extensa en criaturas unicelulares tales como algas y protozoos,yextremadamentecomnenorganismosmulticelulares.Soloseconoceun casobiendocumentadoparalasbacterias,laformacindecristalesdemagnetita (Fe3O4)enlasllamadasbacteriasmagnetotticas.Comparandoloscristalesas obtenidos (Fig. 5),con los obtenidos por mineralizacin biolgicamente inducida (Fig. 4),quedapatenteladiferenciaradicalqueexisteentrelaestructuradelosproductos generados por ambos procesos. Biomineralizacin de Hierro2005 7 Figura 5. Esteproceso,paraelqueserequiereunestrictocontrolgentico,perotambin qumicoyestructural,tienequeregulareldesarrollodelamineralizacintantoensu faseinicialdenucleacin,comoenlaposteriordecrecimientodelmineral.Enambas etapasresultancrticaslacomposicininicadelmedio(sobresaturacin)yla naturaleza de la interfaz mineral-entorno prximo. Para que pueda producirse la deposicin controlada del biomineral, es preciso aislar una zona de biomineralizacin, y cada organismo, en funcin de sus necesidades, puede crearla en un entorno especfico. 2.3. Regin Directora de la Biomineralizacin: Labiomineralizacinpuedetenerlugarencuatroregionesbiolgicas principalmente, estas son: 1.Epicelular:porejemploenlamembranaexteriordelaparedcelularen bacterias (biomineralizacin inducida). 2.Intercelular:enlosespaciosentreclulasmuyagrupadasentresi,como ejemplopodramoscitarelarribacomentadopresenteenciertotipode algasverdes(biominerlaizacininducida).Ocurretambinenlascolonias deplipos,lascualesquedangradualmentesepultadasdentrodeuna estructuraesquelticaformadaporundepsitocalcreoquehallenado todo el espacio intercelular (Fig. 6). Biomineralizacin de Hierro2005 8 Figura 6. 3.Intracelular:porejemploenlasvesculasunidasalamembranade organismosunicelulares(biomineralizacincontrolada).Muchos organismosunicelularesdepositanbiominerales,talescomolasliceyel carbonato de calcio, por medio de procesos biolgicamente controlados en elinteriordevesculasintracelulares.Estosmicroambientesespeciales estnllenosdefluidosydelimitadosporunamembranaquecontieneuna bicapalipdicaconprotenasincrustadasquesirvendecanalesde transporte. 4.Extracelular:sobre,odentrodeunmarcomacromolecularinsolubleenel exteriordelaclula(biomineralizacincontrolada).Estosprocesosestn precisamente controlados a travs de la actividad de clulas especializadas queaslanunespacio,dentrodelcualsecretanunamatrizorgnica (protenasinsolublesypolisacridoscomoelcolgeno).Elmineralcrece entonces depositndoseen una asociacin ntima sobre la matriz orgnica. Por ejemplo, en lacscara de huevo de lasaves,los cristales de calcita se desarrollanenpuntosespecficosdeunamatrizfibrosaextracelular(Fig. 7). Figura 7. Observemos que de estas posibilidades, aquellas que se refieren a la pared celular oalinteriordelaclulaseobservanenorganismosunicelulares,mientrasquelasque afectan al espacio extracelular se usan en los pluricelulares. Biomineralizacin de Hierro2005 9 Aunquelosmecanismosquegobiernanelcontrolbiolgicodelamineralizacin varanenormementeentrediferentessistemas,haycuatrorequerimientosbsicos asociadosconlossitiosdemineralizacintalescomolasvesculasolosmarcos macromoleculares (Fig. 8): Delimitacinespacial(SD),paraasegurarelcontroldeltamaoyla forma del biomineral. Limitacindelflujodeionespordifusin(D),paracontrolarla composicin de la solucin precursora. Regulacin qumica (C), para incrementar la concentracin de ciertos iones de inters. Superficiesorgnicas(O),capacesdegenerarycontrolaruna nucleacin adecuada. Figura 8. 2.4. Mecanismos de Control: Aunnivelfundamental,losprocesosdebiomineralizacincontroladareflejan muchasdelascaractersticasquedistinguenalabiologa.Estngobernadosporun trasfondogentico,conducidosporprocesosbioenergticosyadaptadosalas influencias ambintales, as pues hay muchos niveles de regulacin incluidos dentro de unaredinteractivacompleja.Nuestropuntodevistaesmsespecficoyaccesible,e incluye cinco mecanismos de control claves para el proceso de biomineralizacin:Control qumico. Control espacial. Control estructural. Control morfolgico. Control construccional. 2.4.1. Control Qumico: Laqumicaesfundamentalparaelinicio,elfinalylamarchadela biomineralizacincontrolada.Enelcasodelosbiomineralescristalinos,sepresentan cuatro factores fsico-qumicos fundamentales (solubilidad, sobresaturacin, nucleacin y crecimiento cristalino) que estn envueltos en el proceso. En general, la solubilidad de losmineralesinorgnicosesunfactorcrucialenladeterminacindelascondiciones Biomineralizacin de Hierro2005 10 termodinmicas para la para la precipitacin, y la extensin a la cual una disolucin est fuera del equilibrio est dada por la sobresaturacin, la cual en consecuencia influye en las velocidades de nucleacin y crecimiento cristalino. Cada uno de estos factores puede ser controlado a nivel molecular mediante la regulacin de las condiciones qumicas de lasdisolucionesbiolgicasdentrodelascualestienelugarlamineralizacin.Enlos sistemasbiolgicosestoseconsigueporlaregulacindeltransportedeiones,ypor molculasespecializadasqueactancomopromotoresoinhibidoresdelcrecimiento cristalino y de la trasformacin de fase. Aspues,lasdosposibilidadesdeformacindeunslido,desdeunaperspectiva energtica,puedenresumirse,comoseindicaenlaFigura9,en:a)formacindeuna fasecristalinaMXapartirdeunadisolucin,enunasolaetapa;ob)formacindela fasecristalinaatravsdelaformacindeotrasintermediasdeestructuradiferente,la primera de las cuales puede ser amorfa. Figura 9. Las energas de activacin implicadas en un proceso del tipo (a) son las de la etapa denucleacinGNyladecrecimientocristalinoGC,mientrasqueenunprocesode tipo(b)debensobrepasarsebarrerasdenucleacinGN,crecimientocristalinoGCy transformacin de fase GT. Sehaobservadoquelafaseinicialenunaprecipitacinsecuencialeslams soluble y ya que, en el equilibrio, las fases amorfas son ms solubles que las cristalinas, pareceplausiblequelabiomineralizacinsecuencialutiliceampliamenteprecursores amorfos.Nteseque,siestoesas,yalfinalelmineralescristalino,suestructurano dependerenexcesodelprocesodenucleacin,sinodelcontrolbiolgicoquepueda ejercerse a lo largo del crecimiento y las sucesivas transformaciones de fase que sufre el mineral. Biomineralizacin de Hierro2005 11 2.4.2. Control Espacial: El control espacial se refiere principalmente a la regulacin del tamao y la forma de los biominerales, por confinamiento del proceso en unos espacios lmites especficos talescomolasvesculasolosmarcosporososorgnicos.Estasestructurasorgnicas estn ensambladasantesdeque tenga lugar la mineralizacin a travs deinteracciones covalentes y no covalentes entre las molculas implicadas. Este proceso se conoce como preorganizacinsupramolecular.Sinembargo,ladelimitacinespacialdela mineralizacin no proporciona estructuras huecas pasivas, sino que las mismas estn en movimiento,seleccionadomolculaseionesenlazonademineralizacin.Deesta manera, el control espacial est relacionado a menudo a dimensiones fsicas del sitio de mineralizacin y a mecanismos de control qumico. Existencuatrotiposprincipalesdeestructurasorgnicasquesonusadasenla biomineralizacinespacialmentelimitada.Entodosloscasos,loslmitessonsolo permeablesaciertosionesomolculasquesonrequeridosparaelprocesode mineralizacin. 1.Vesculasconmembranasfosfolipdicas.Haymuchasevidencias experimentalesdequelasvesculasfosfolipdicasestnbienestablecidas estructuralmenteenlabiomineralizacin,antesdequeseproduzcala precipitacin. Por ejemplo, se sabe que vesculas esfricas se forman antes dequeseproduzcalanucleacindelamagnetita(Fe3O4)enlasbacterias magnetotcticas(Fig.10).Loscristalesdeoxidodehierroseforman entoncessobre,oprximos,alasuperficieinteriordeunamembrana fosfolipdica Figura 10.

Esinteresantecomentarquesilasvesculassedistribuyeran desorganizadamenteporelinteriordelaclula,loscamposmagnticos individualesprovenientesdelosdistintoscristalesasociadosaellas podran cancelarse, con el resultado de que se anulara el momento dipolar enlaclula.Labacteriasolucionaesteproblemaordenandolasvesculas enunaformacinlinealfuertementeasociadaalasuperficieinternadela pared celular. Biomineralizacin de Hierro2005 12 2.Vesculaspolipeptdicas.Laprotenaacumuladoradehierroferritinaes unejemploinusualdevesculallenadefluidoqueestconstruidaapartir de unidades polipeptdicas.La protena consiste en una jaula polipeptdica de 8nm de dimetro internoy de 2nm degrosor,la cual surge de la unin espontnea de 24 subunidades polipeptdicas (Fig. 11). N = trminos aminados; E = trminos carboxilados Figura 11 La protena presenta una serie de canales moleculares a travs de los cuales tienelugareltransportedeionesFe2+yotrasespeciesimplicadasenla mineralizacin del oxido de hierro, ferrihidrita. 3.Unionescelulares.Otromtodoparaaislarespaciosbiolgicosreservados paralamineralizacin,suponelaunindegruposdeclulasque permanecenjuntasformandoagregados.Porejemplo,enlateorade crecimientoseoseproponequelasclulasformadorasdehueso osteoblastos,seunencolectivamenteparaproduciruncompartimiento llenodelquidoqueestseparadodelasangreyquecontieneeltejido mineralizado (Fig. 12). Figura 12. Biomineralizacin de Hierro2005 13 La capa de clulas est estrechamente empaquetada, as que la qumica del interiorestcontroladaporlososteoblastos,loscualesestnencontacto directoconlasclulasseasqueosteoctosquequedanatrapadasenel interior. 4.Marcosmacromoleculares.Lasclulaspresentanamenudodecenasde micrmetrosdetamao,asquelosespaciosproducidosporsus ensamblajes son grandes cuando los comparamos con aquellos delimitados porlasvesculas.estopresentalapotencialdesventajadequeel crecimientodeloscristalesdelmineralpuedenirsefcilmentefueradel controlbiolgico.Paraevitaresto,losorganismosamenudodividenel espaciodemineralizacin,formadoporagrupamientodeclulas,en cubculosmenores,paraellosesirvendelusodeunamatrizorgnica semipermeable con estructuras en forma marcos vacos. Un sistema biolgico que usa marcos macromoleculares para conseguir un gradosignificativodecontrolespacialsobreelprocesodemineralizacin eslalapa.Eldientedelalapacontieneordenamientosdecristalesde xidodehierrogoetita(-FeOOH)enformadeagujasperfectamente alineadas (Fig. 13). Figura 13. 2.4.3. Control Estructural: Uno de los aspectos ms fascinantes del proceso de mineralizacin biolgicamente controlada, es la habilidad de ciertos sistemas para producir estructuras en las cuales los cristalesnosoloestnespecficamenteasociadosaunamatrizorgnica,sinoadems particularmentealineadosconrespectoalasuperficiemacromolecular.Enmuchos casos,lanucleacinsobrelassuperficiesorgnicasresultaenlaalineacindeuneje especficodelaceldaunidaddemaneraperpendicularalasuperficielaminardela matrizoalasfibras.Elalineamientoes,amenudo,menosprecisoendirecciones paralelasalasuperficiedelamatriz,asqueloscristalesgiranentornoauneje constanteparaproducirunmosaicodepartculasparcialmenteorientadas(Fig.14b). Ocasionalmente, dos ejes cristalogrficos estn especficamente alineados con respecto Biomineralizacin de Hierro2005 14 alaestructuramolecularsobrelaquedescansan(Fig.14c).Estoproduceun ordenamientoiso-orientadodecristalesespacialmenteseparadosquetienenlamisma orientacin cristalogrfica en las tres dimensiones. Nucleacin de biominerales: (A) no orientada; (B) orientacin perpendicular a la matriz; (C) Ordenamiento tridimensional, iso-orientacin. Figura 14. La hiptesis general supone que este control estructural se obtiene por medio de la presenciadeciertosgruposqumicosenlossitiosdemineralizacin.Estosgrupos enlazan o concentran a los iones metlicos en ordenamientos que simulan las posiciones de los mismos en una cara cristalina concreta. En este sentido, la matriz orgnica acta como una plantilla orgnica para la nucleacin inorgnica. El principio fundamental que gobierna el proceso de la biomineralizacin mediada porunamatrizorgnicaeselreconocimientointerfacialmolecular.Ladisminucinde la energa de nucleacin se considera que surge del ajuste de las cargas, la polaridad, la estructura y la estereoqumica de la interfase entre un ncleo inorgnico y una superficie macromolecularorgnica.Laformadelainterfaseyelgradodecomplementariedad qumica son factores importantes en este proceso. Estudios llevados a cabo en el laboratorio ponen de manifiesto el efecto que ciertas superficiesespecficamentediseadastienensobrelamorfologadelcristalquese generasobreellas.EnlaFigura15,seobservacomoserealizaunosdeestos experimentos. Se toma un cristal de calcita y sobre el, por incubacin en cloroformo, se ensamblaunacapadecido6-metacrilamidohexanoico(a);estacapa bidimensional,ordenadaporprocesos epitaxiales,sepolimerizacon divinilbenceno,obtenindoseasuna estructurargidaimpresasobrelacara delcristaldecalcita(b).Acontinuacin se liberael molde delcristal inicial (c)y seintroduceenunadisolucin sobresaturadadeCaCO3,teniendoque loscristalesquenuclear(d)ycrecen(d) sobreelmoldesonlosdecalcita;esto sucede incluso en condiciones en las que se debera ver favorecida la formacin de aragonito (agua pura y 95C). Figura 15. Biomineralizacin de Hierro2005 15 2.4.4. Control Morfolgico: Muchosdelosbiomineralesformadosporprocesosdebiomineralizacin presentanmorfologasqueseparecenpocoalasobtenidasenlosprocesosde mineralizacinqumicaygeolgica.Porejemplo,mineralesamorfoscomolaslice precipitangeneralmenteenlossistemasinorgnicosamododegelesamorfosode partculasesfricascoloidales,noobservndoseordenamientoselaboradostalescomo lasincrustacionesenformadelazoolosarmazonesdedeterminadosorganismos unicelulares (Fig. 16). Figura 16. Estacapacidadparaesculpirlosmaterialesinorgnicosesinclusoms remarcablecuandoconsideramosalosmineralescristalinos,porquelaformadel biomineraldesafalamorfologaconvencionalobservadatantocomolamanifestacin macroscpicadelordenamientogeomtricodelostomosenlaceldaunidadescasi inconcebible, por ejemplo, que la arquitectura microscpica en forma de trompetas del carbonato de calcio en los coccolitos, pueda surgir basndose en la geometra regular de los simtricos cristales inorgnicos. Figura 17. Biomineralizacin de Hierro2005 16 Comoprincipiogeneral,podemosconsiderarquelasformascomplejasdelos biomineralesseoriginanporlaregulacinvectorialdelcrecimientocristalinoyla precipitacin,enelinteriordeestructurasorgnicastalescomolasvesculasolos marcos polimricos. Esto es, el proceso de crecimiento del mineral est controladopor lmites orgnicos que cambian en formas y tamaos con el tiempo, de este modo la fase inorgnicaesguiadaprogresivamentealolargodeunconjuntodedirecciones biolgicamenteprogramadas,msqueatravsdelcontrolintrnsecodelosejes cristalogrficos de la celda unidad. La marcha de este proceso programado es compleja y depende de muchos procesos interrelacionados que ocurren dentro y fuera del sitio de mineralizacin. 2.4.5. Control Construccional: Laincreblecomplejidaddelostejidosmineralizadostalescomohuesosy caparazones, est asociada con la construccin controlada de arquitecturas jerarquizadas que envuelven la unin de unidades bsicas de construccin mineral dentro de series de estructuras cada vez ms complejas. En el hueso, las unidades primarias de construccin sonfibrasdecolgenoysuspequeoscristalesasociadosdehidroxiapatito.Estas unidadessonentretejidas,pormediodeclulasseas,alolargodeunnmerode tapicesestructuralesqueexhibenunordendemayorlongituddeescala.Unesquema sobre los diferentes niveles jerarquizados de la construccin del tejido seo puede ser: nivel 11nmfilamentos de tropocolgeno nivel 2100nmfibras de colgeno/nanocristales minerales nivel 31mlaminas de fibras de colgeno nivel 410mcapas concntricas de lminas de colgeno "ostones" nivel 51mmmicroestructuras formadas por osteones nivel 6>1mmmacroestructura del hueso Tabla 2. En la figura 18 se puede apreciar como en los niveles 1 y 2 las fibras helicoidales detropocolgenoseordenangenerandofibrasdecolgenoconsuscristalesasociados de hidroxiapatito. Estas fibras se organizan en forma de capas (pueden ser concntricas) conlososteocitosresidiendoentrelascapasadyacentes(niveles3y4),generando estructuras conocidas como osteones. A mayor escala los ostiones son organizados en formadefardosentrecruzados(nivel5);finalmente,dependiendodelaorganizacin espacialydelaestructuradelosfardos,obtenemosdiferentesformasyestructuras especficas. Biomineralizacin de Hierro2005 17 Figura 18. 3. Breve I ntroduccin a la Qumica del Hierro: Aunque puede adoptar varios estados de oxidacin, los ms importantes son (+II) y (+III). Fe(III) es un sistema d5 y forma complejos con una gran variedad de ligandos. Un ejemplo es Fe(H2O)63+, un ion de color violeta plido que, probablemente, forma parte de las sales de Fe con los aniones ms comunes, las cuales suelen cristalizar hidratadas. Cuandoestassalessedisuelvenenagua,lasdisolucionestomaninmediatamente color amarillo plido debido a los procesos hidrolticos: Fe(H2O)63+ + H2OFe(OH)(H2O)52+ + H3O+ Kh = 1,84*10-3 2Fe(OH)(H2O)52+(H2O)5FeOFe(H2O)52+ + H20 Quiereestodecirque,amenosquesetrabajeapH=0,elcatinhexaacuoestar siempremezcladoconestasespeciesoxoehidroxo.Esto,encasodeprogresarla hidrlisis nos puede llevar a la precipitacin de los hidrxidos insolubles de Fe(III). Fe(II)esunsistemad6yforma,aligualqueelanterior,salesconcasitodoslos anionescomunes.Sinembargo,suespecieFe(H2O)62+ prcticamentenosehidroliza en agua, debido a su relacin carga/radio mucho menor. SiladisolucinsealcalinizaterminaprecipitandoelhidrxidoFe(OH)2,quees mucho ms soluble que el de Fe(III). Estosignificaque,cuandosedisuelvenambosencondicionesdepHfisiolgico, aparecen diferencias importantes. As la concentracin de Fe(II) a pH = 7 puede llegar a ser0.1M,mientrasquelaconcentracindeFe(III)probablementenosupereenesas condicioneselvalorde10-15M.Encualquiercaso,sedebetenerencuentaqueestos datos son estrictamenteaplicablesen las disoluciones enagua pura.La presencia enel Biomineralizacin de Hierro2005 18 aguadeotrosligandosquecoordinenadecuadamentealFe(III)puedemodificar notablementesucapacidadparaincorporarsealasdisolucionesacuosas,inclusoapH relativamente alto. EncuantoalosestadosredoxdeambasespeciespodemosdecirqueelFe(II)es inestableendisolucinacuosaenpresenciadeagua,dandolugaraFe(III).Enla prcticalaoxidacinenmediocidoeslenta.Sinembargo,cuandosealcaliniza,la concentracindelafaseoxidadaFe(III)disminuyedrsticamenteporefectodela hidrlisis y el Fe(II) se oxida mucho ms fcilmente. El diagrama 1 representa una combinacin de los diagramas de Pourbaix para H2O y Fe; est construido para agua pura con constante de actividad 1, presin parcial de O2 iguala0,21atmyFe2+=10-7Myproporcionainformacinacercadelasespecies establesencondicionesdeterminadas.Comopuedeapreciarse,apotencialesyvalores depHbajos,elFe(II)esrelativamenteestable,mientrasqueapHprximosavalores fisiolgicos y a los normales en el medio ambiente, el Fe(III), generalmente en forma de oxohidrxidospocosolubles,debepredominaramenosqueelmedioseaaltamente reductor. Diagrama 1. Naturalmente,estediagramaesmuysencilloynotieneencuenta,entreotras cosas, los factores cinticos y la presencia en el medio de otras especies adems de Fe y agua,quepuedenafectaralaespeciacinyalestadodeoxidacindelmetal,pero resulta muy til ilustrar la influencia, crtica, de E y pH sobre el estado de oxidacin de este elemento. Biomineralizacin de Hierro2005 19 4. Biomineralizacin de xidos de Hierro: Losxidosbioinorgnicosdehierroestnampliamentedifundidosenlosseres vivos,presentandodiversasfunciones.Estosslidosposeenhomlogosinorgnicos importantesquesonextensivamenteusadosencatlisisyenaparatosmagnticos.El compuestodevalenciamixta,magnetita(Fe3O4),presentaunaimportanciabiolgica particularenundeterminadotipodebacterias,permitindolesorientarseenelcampo geomagntico.Lagoetita(-FeOOH)ylalepidocrita(-FeOOH)sedepositanenlos dientesdeciertosmoluscos,favoreciendolosprocesosdeingestadealimento.La ferrihidrita es almacenada en la protena ferritina a modo de reserva de hierro por la casi todos los organismos. Mineral FrmulaOrganismoLocalizacinFuncin MagnetitaFe3O4Bacterias Magnetotcticas IntracelularMagnetotxis ChitonsDientesTrituracin Atn/SalmnCabezaNavegacin magnticaGoetita-FeOOH LapaDientesTrituracin Lepidocrita -FeOOH EsponjasFilamentosDesconocida ChitonsDientesTrituracin Ferrihidrita5Fe2O3.9H2O Animales/plantasFerritina Protena de almacenamiento ChitonsDientesPrecursor de fase Castor/Ratas/Peces Superficie de dientes Resistencia mecnica (+Fosfatos) Bacterias Magnetotcticas Ferritina Protena de almacenamiento Pepino de mar DermisResistencia mecnica Tabla 3. 4.1. Bacterias magnticas: Existenvariostiposdebacterias,especialmentebacteriasreductoras,queson capacesdeproducirmaterialesmagnticos,incluyendolamagnetitaylagreigita,en localizacionesextracelulares,dandolugaralaformacindepartculasdetamaoy morfologacristalinairregularyheterognea.Estaspartculasnoestnunidasauna membrananirodeadasporpelculasorgnicas.Sinembargo,yencontrasteconestas, otrotipodebacterias,lasbacteriasmagnticasomagnetotcticas,presentan partculas cristalinas con pocas irregularidades, localizadas intracelularmente, prximas entre s y a la membrana citoplasmtica a la que estn enlazadas. En ros y estanques a travs de todo el mundo hay bichos asombrosos que navegan enelcampogeomagnticoterrestre.Estasbacteriasmagnetotcticastienenuncomps internoqueconsisteenunacadenalinealdiscretadecristalesdevalenciamixta (magnetita)(Fig.19).Juntoconelalineamientocristalino,elorganismosesita paraleloalaslineasdefuerzadelcampogeomagntico.Amenosquetesitesenlos Biomineralizacin de Hierro2005 20 polos,elcampomagnticoterrestrepresentacomponentesverticalesyhorizontales; estasbacteriasvivenenlainterfaseentreelaguaylossedimentosmarinos,demodo que su comps geomagntico le permite dirigirse al fondo en caso de aguas turbulentas, en lugar de dar tumbos como les pasa a otras bacterias. Figura 19. Encadaejemploconocidodebacteriamagnetotctica,loscristalesnosolose orientan en una direccin concreta, sino que adems presentan dimensiones compatibles conaquellaspropiasdeundominiomagnticosimple,deotramaneraelsistemano podrafuncionareficientemente.Lamagnetitaesclasificadacomounasustancia ferrimagntica,locualsignificaquesepresentaunmomentobipolarmagntico proveniente de la suma no nula de dos subredes magnticamente opuestas (Fig. 20). Sin embargo, el magnetismo de las partculas individuales depende de su forma y tamao, si laspartculassondemasiadopequeas,sonincapacesderetenereldipolomagnticoa causa de la agitacin trmica. Figura 20 Estas bacterias utilizan las vesculas fosfolipdicas ya comentadas para desarrollar lamagnetitaensuinterior.Recordemosqueestasmembranasseobtienenporescisin de una parte del aparato de Golgi, y que ya se encuentran formadas cuando comienza la nucleacinensuinterior.Secomentasmismoqueestasbacteriasalineanestas vesculasasocindolasalaparedcelular.Aspues,laformacindeloscristalesde magnetitatienelugaratravsdeunasecuenciadeeventosenloscualeslamembrana vesicular es de suma importancia, estos son: Biomineralizacin de Hierro2005 21 TomadetomosdeFe(III)delentorno,quizapoyadapor siderforos. ReduccindelFe(III)aFe(II)duranteeltransporteatravsdela pared celular. Transporte de Fe(II) hasta, y a travs, de la membrana vesicular. PrecipitacindexidohidratadoamorfodeFe(III)debajadensidad en el interior de la vescula. Transformacindelafaseamorfaenmagnetitaporreacciones superficiales que envuelven intermediarios de valencia mixta. A travs de anlisis bioqumicos realizados sobre la membrana vesicular que rodea a los cristales de magnetita, se ha podido saber que la composicin global de la misma essimilaraladelasmembranasconvencionales,exceptoporlapresenciadedos protenasespecficasinsertadasenlabicapalipdica.Sehaconsideradoqueestas protenaspuedenestarlocalmenteorientadasformandoclusters,demodoque promueven la nucleacin, a partir de los precursores amorfos, en regiones especficas de la membrana. Lavelocidaddetransformacindelosxidoshidratadosparadarmagnetita deberaserlenta,yaqueserequerirnprocesosdedeshidratacin,disolucin, reprecipitacin,yelloenparaleloconlareduccinparcialdelFe(III)aFe(II).Los experimentosllevadosacaboenellaboratorioacercadelatransformacinenmedio acuoso de ferrihidrita en magnetita, sugieren que la interaccin de Fe(II) hidratado con la superficie de la ferrihidrita y la evolucin posterior, tal como indica la figura 21, son etapasdecisivas.Aunquelacomposicinexactadelintemedioqueseliberaen disolucin no se conoce, su evolucin hacia magnetita implica la liberacin de portones. Lavesculadondeseproducelabiomineralizacindebeutilizarmecanismosque permitan un control estricto de pH y del potencial en la zona de mineralizacin. Figura 21 4.2. Protenas Oxidadas: Comoyadijimos,laprotenaacumuladoradehierroferritinaesunejemplo inusualdevesculallenadefluidoqueestconstruidaapartirdeunidades polipeptdicas.Laprotenacontieneaproximadamenteun30%enpesodehierroen forma de un ncleo de unos 5nm de ferrihidrita (5Fe2O3.9H2O) rodeado por este abrigo polipeptdico (Fig. 22). El proceso no solo provee una reserva de hierro de mas de 4500 atomosdehierro,sinoqueademsproduceunsolcoloidaldenanopartculasno agregadas. Biomineralizacin de Hierro2005 22 Figura 22 Engeneral,laferritinaprotegealacluladelhierrolbilpresenteensuinterior, secuestrndoloy actuando como un bfer por regulacin de sus niveles. Esto ltimo es posibleacausadelasolubilidadrelativamentealtadelaferrihidritaapHligeramente cido,loquepermitenosoloalmacenarelhierro,sinoademsredisolverloapHen torno a 5.5. Esto tiene lugar en estructuras celulares llamados lisosomas. Al contrario que la magnetita, la ferrihidrita biolgicamente producida es variable tanto en estructura como en composicin. Por ejemplo, el ncleo mineral de la ferritina delbazodecaballo,elcualestdisponiblecomercialmente,estformadoporcristales individualesrelativamentebienordenadosycontieneunapequeacantidaddefosfato inorgnico(entornoaun5%).Encontraste,laferritinabacterianapresentancleos amorfosyconcentracionesdefosfatoalmenostangrandescomolasdehierro.El carcter cristalino no depende solo de la distintaproporcin de fosfato, sino que puede estar condicionado por la velocidad de Fe(II) a Fe(III) (una rpida oxidacin favorecera la aparicin de estructuras amorfas) y los mecanismos de crecimiento de la fase slida. Laprotenaconsisteenunajaulapolipeptdicade8nmdedimetrointernoyde 2nm degrosor, la cual surge de la unin espontnea de 24 subunidades polipeptdicas. En la protena de los mamferos, hay presentes dos subunidades conocidas como pesada (H de Heavy) i ligera (L de Light), las cuales poseen una masa molecular de en torno a 20000 y 21000, respectivamente. La proporcin de H y L depende de la fuente de la que extraigamoslaprotena.Ambassubunidadespresentanunaestructurasecundariay terciaria muy similares,basada en un fardo formado porcuatro-hlices (A, B, CyD en la Fig. 23), una pequea hlice anexa (E) y un loop (L) de 17 restos de aminocidos. Elfardoestcompuestopordosparesdehlicesantiparalelas(AB,CD)unidasporel loop (L). Figura 23 Biomineralizacin de Hierro2005 23 Elautoensamblajedeestassubunidadesseproduce,enmuchosaspectos,de maneraanlogaalaformacindelasvesculasfosfolipdicas.Lasinteracciones supramoleculares incluyen fuerzas hidrofbicasyhidroflicas que juntasconducena la organizacinestructural.Unaconsecuenciasorprendentedeesteproceso,esla perforacindelajaulaproteicaporpequeoscanaleslocalizadosenlasunionesdelas subunidades dmeras, y orientados en las tres direcciones espaciales (Fig. 24). Figura 24. El problema surge a la hora de discernir la estructura del cmulo metlico, ya que lastcnicasdisponiblesnopermitenproponerunadefinicinestructuralaescala atmica.Porellosehanempleadomodelosque,parasertiles,debencontenerun nano-coremineralizado,rodeadodeunacapaorgnica,yreproducirlosdiferentes entornosdelFe.Nteseque,enefecto,existen(Fig.25):tomosdeFedeltipo(a), localizadosenposicionesinicialesdenucleacin,coordinadosporligandosorgnicos procedentesdelaprotena,einorgnicospertenecientesalasuperficiedelmineral.; tomos de Fe del tipo (b) ubicados en la superficie del mineral, que estn conectados al coreinterno,ascomoalosdetipo(a);ytomospertenecientesaltipo(b), pertenecientesalinteriordelcore,quepodramosdenominarinorgnicospuros.De todoslosmodelosensayados,losqueparecenmstilessonloscmuloscomo Fe19(3-O)6(3-OH)6(2-OH)8(L)10(H2O)12+,dondeL=N(CH2COO)2(CH2CH2O)3-, conocido como cmulo de Fe19. Biomineralizacin de Hierro2005 24 Figura 25. Elpasosiguienteescomprendercmoseoriginaesecore.Sibiennoseconoce conexactitudlaformaenlaqueelFellegaalaferritinainvivo,seadmitehoy,en general,quelaincorporacindelelementoimplicalaoxidacindeFe(II)yqueel oxidanteesdioxgeno,aunquenosedescartalaparticipacindeotrosoxidantes.Esta opininsesustenta,entreotrasevidencias,enelhechodequelaapoferritinapuede incorporarFecomoFe(II)encondicionesoxidantes,sibiennoincorpora,porejemplo, citrato de Fe(III). Se trata pues de un mecanismo en tres etapas: 1) fijacin de Fe(II); 2) oxidacin cataltica a Fe(III); 3) formacin del core biomineral. A lo largo de todo este procesodebenfluiratravsdeloscanalespresentesenlaestructura,nosoloel elementoabiomineralizar,sinotambindioxgeno,aguaylosprotonesyelectrones (aunque estos podran atravesar la estructura proteica). 4.3. Dientes de Hierro: Moluscos como la lapa y la Chiton poseen unos hbitos alimenticios poco usuales. Aunquenoparecensermuyactivosdurantelamareabaja,unavezsumergidos comienzan una frentica actividad alimenticia,araando algas delos intersticios de las rocasconunrganoenformadelenguaconocidocomorbula.Enlalapacomnla rdulatieneunos7cmdelongitudyunospocosmilmetrosdeancho(Fig.26), conteniendosusuperficiecientosdeafiladosdiente.Unodelosextremosdelardula estconectadoconlaboca,loquelepermiteabsorberalgasypequeos microorganismos. Figura 26. Biomineralizacin de Hierro2005 25 Acausadequelasalgasestnfuertementeunidasalasrocas,sonnecesarios dientesmuyfuertesyresistentes.TantolaslapascomolasChitons,solucionanesto armndose con dientes de sable generados con xidos de hierro en el lmite cortante, y reforzados con depsitos de lepidocrita sobre una base de hidroxiapatita (Fig. 27). Figura 27. Unadelascosamssorprendentesdelardulaesqueesterganoesunacorrea convergente y continua de dientes en diferentes etapas de mineralizacin.Mientras que los dientes expuestos a la boca estn plenamente mineralizados, los del extremo opuesto estn an en desarrollo, encontrndose asociados a clulas conocidas como ondoblastos (Fig. 28) Figura 28. 5. Biomineralizacin de Sulfuros de Hierro: Muchostiposdiferentesdesulfurosdehierroseformanenasociacinconlas bacterias sulfato reductoras, pero ninguno de ellos muestra las caractersticas propias de un proceso de biomineralizacin controlada. Lamayoradeestosproductosnoestncontroladosdeningunamanera, proviniendodelareaccindeproductosmetablicoscomoelH2SconFe(II)del ambiente circundante. Sin embargo, estudios recientes han demostrado que ciertos tipos debacteriasmagnetotcticaspresentesenentornosricosensulfuro,sintetizany organizan cristales del mineral ferrimagntico greigitita (Fe3S4) (Fig. 2.30). La greigitita se presenta como cristales sencillos, discretos, de medio tamao y distribucin prxima. Presentanmorfologasespecficasyparecenestaralineadosdentrodecadenas,justo comoloscristalesdemagnetitadescritosparalasbacteriasmagnticas.Quizsestas Biomineralizacin de Hierro2005 26 bacterias pudieron ser las precursoras de las productoras de magnetita enpocas en las que el medio ambiente terrestre era fuertemente reductor. Figura 29. 6. Bibliografa: Biomineralization,PrinciplesandConceptsinBioinorganic Materials Chemistry; Stephen Mann; ED Oxford. Inorganicmaterials,2ndedition;DuncanWBruceandDermont O`Hare; ED Wiley. Qumicainorgnica;J.SergioCasas,VirtudesMoreno,ngeles Snchez y otros; ED Sntesis.